DE102018002709A1

DE102018002709A1 - Verfahren zum Herstellen eines Furniersystems mit erhöhtem Formänderungsvermögen, insbesondere für ein Holzzierteil im Fahrzeuginnenraum, sowie Furniersystem

Info

Publication number: DE102018002709A1
Application number: DE102018002709.1A
Authority: DE
Inventors: Jonas David Zerbst; Sebastian Clauß
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2018-09-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Furnierbauteils (10), mit den Schritten: Bestimmen von mechanischen Eigenschaften wenigstens eines Furniers (14) des Furnierbauteils (10); Durchführen einer Tiefungsprüfung nach Erichsen DIN EN ISO 20482 zur Bestimmung der Tiefungsfähigkeit; Simulation des Materialverhaltens unter Berücksichtigung der ermittelten Kennwerte mittels Finiter Elemente Methode; Berechnung optimaler Materialkennwerte, mit welchen ein bestmögliches Umformergebnis erreicht werden kann; und Modifikation wenigstens eines Kaschiervlieses (16) des Furnierbauteils (10) dahingehend, dass die berechneten mechanischen Eigenschaften durch Verfestigung des Kaschiervlieses (16) erzielt werden, um die Steifigkeit in der entsprechenden Richtung zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Furniersystems, insbesondere für ein Holzzierteil im Fahrzeuginnenraum. Das Verfahren sieht die Berechnung und gezielte Einstellung der Anisotropie der Vliesstoffkaschierung vor, um die Dehnbarkeit und damit die Umformung zu verbessern. Außerdem betrifft die Erfindung ein Furniersystem.
Ein Furniersystem und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Furniersystems sind beispielsweise bereits aus der DE 198 03 262 A1 bekannt. Das Furniersystem weist wenigstens ein Furnier und wenigstens einen Vliesstoff auf, mit welchem das Furnier unter Bildung eines Verbunds verklebt und dadurch kaschiert ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Furniersystem zu schaffen, sodass besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften des Furniersystems, insbesondere bezüglich dessen Umformbarkeit, realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Furniersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Furniersystems, insbesondere für einen beispielsweise als Personenkraftwagen ausgebildeten Kraftwagen, werden mechanische Eigenschaften wenigstens eines Furniers des Furniersystems bestimmt. Dabei werden Materialkennwerte in Materialprüfungen, wie zum Beispiel Zugversuch und Scherversuch, abhängig von den anatomischen Hauptrichtungen des Furniers, gemessen. Bei einem zweiten Schritt wird eine Tiefungsprüfung nach Erichsen DIN EN ISO 20482 zur Bestimmung der Tiefungsfähigkeit, insbesondere des Furniers beziehungsweise des Furniersystems, durchgeführt. Durch das Bestimmen der mechanischen Eigenschaften und durch das Durchführen der Tiefungsprüfung werden beispielsweise Kennwerte ermittelt, welche den Materialverbund hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften und seiner Tiefungsfähigkeit charakterisieren. Bei einem dritten Schritt wird das Materialverhalten, insbesondere des Furniers beziehungsweise des Furniersystems, unter Berücksichtigung der ermittelten Kennwerte mittels Finiter Elemente Methode simuliert. In einem vierten Schritte des Verfahrens werden optimale Materialkennwerte berechnet, mit welchen ein bestmögliches Umformergebnis erreicht werden kann. Bei einem fünften Schritt wird wenigstens ein auch als Vliesstoff bezeichnetes Kaschiervlies des Furniersystems dahingehend modifiziert, dass die berechneten mechanischen Eigenschaften durch mechanische Verfestigung des Kaschiervlieses erzielt werden, um die Steifigkeit in der entsprechenden Richtung zu erhöhen. Endprodukt des Verfahrens ist das mit dem Kaschiervlies kaschierte Furnier mit optimalen mechanischen Eigenschaften bezüglich Umformung. Auf diese Weise wird die Vliesstoffkaschierung optimal auf die Furnieroberfläche des Furniersystems abgestimmt, die in ihren Eigenschaften stark variieren kann, je nach Holzart, Ausrichtung der Fasern oder einer Vorbehandlung.
Das erfindungsgemäße Furnierbauteil umfasst somit das Furnier und das einfach auch als Vlies bezeichnete Kaschiervlies, mit welchem das Furnier beispielsweise unter Bildung eines Verbunds verklebt und dadurch kaschiert ist. Dabei ist der Verbund mittels des Vliesstoffes isotropiert, indem der Vliesstoff die natürliche Anisotropie des Furniers ausgleicht. Außerdem ist der Vliesstoff mittels wenigstens eines Verfestigungsverfahrens, insbesondere durch Vernadeln, mechanisch verfestigt.
Der Erfindung liegt insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Die mechanischen Eigenschaften von Holz, insbesondere im Hinblick auf dessen geringe Plastizität beziehungsweise die ausgeprägte Anisotropie, begrenzen die Umformbarkeit für die Herstellung von 3D-Formteilen aus Furnier, wie zum Beispiel Holzzierteile im Fahrzeuginnenraum. Unter einem solchen 3D-Formteil ist zu verstehen, dass das 3D-Formteil dreidimensional, das heißt in drei Ebenen verformt beziehungsweise umgeformt ist. Zudem sind die mechanischen Eigenschaften der Furniere bei verschiedenen Holzarten sehr unterschiedlich. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch werden Materialspannungen bei einer Umformung des Furniersystems besser verteilt und es können komplexere Formteilgeometrien realisiert werden, sodass der Verbund im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens dreidimensional, das heißt in drei, insbesondere senkrecht zueinander verlaufenden Ebenen umgeformt beziehungsweise verformt werden kann. Außerdem können die unterschiedlichen Eigenschaften verschiedener Holzarten mit der gezielten Einstellung der Eigenschaften des Kaschiervlieses im Furniersystem individuell angepasst und deren Umformbarkeit optimiert werden. Somit kann das Furniersystem besonders vorteilhaft als 3D-Formteil ausgebildet werden.
Eine weitere Erkenntnis ist, dass die Zugfestigkeit eines Furniers in dessen Faser-Längsrichtung um ein vielfaches höher als quer zur Faser-Längsrichtung ist. Somit versagt das Furnier in der Regel in Querrichtung, wobei der Riss entlang der Faser verläuft. So wird die maximal mögliche Dehnung in Längsrichtung nie erreicht. Wenn sich das Material so verhält, dass die Zugfestigkeit in Längs- und in Querrichtung annähernd gleich ist, werden die Dehngrenzen in beiden Richtungen voll ausgeschöpft und eine höhere Umformbarkeit wird ermöglicht. Dies kann über die gezielte Einstellung der Anisotropie der Kaschierung realisiert werden, was bei dem erfindungsgemäßen Furniersystem beziehungsweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen ist.
Gängige Praxis in der Möbel- und Automobil-Zierteilproduktion ist die rückseitige Kaschierung von Furnieren, um sehr dünne Holzschichten realisieren zu können, deren Dicke beispielsweise weniger als 0,5 Millimeter beträgt, und um das Durchschlagen beim Hinterspritzen zu vermeiden. Diese Technologie ermöglicht eine höhere Flexibilität für die Umformung einer Holzdekoroberfläche gegenüber reinem Furnier. Herkömmlicherweise verwendete Vliese beziehungsweise Vliesstoffe um Furnier-Vliesstoff-Kaschierungen zu realisieren, besitzen jedoch nur geringe oder keine anisotropen Eigenschaften. Die mechanische Umform-Charakteristik des Holzes ist dabei weiterhin problematisch.
Um den Stand der Technik zu verbessern, schlägt die Erfindung vor, eine gezielte Verstärkung der Steifigkeit des Vliesstoffes quer zur Faserrichtung des Furniers für eine optimierte Ausschöpfung der Dehngrenzen zu realisieren. Hierzu erfolgt eine Isotropierung des Verbunds über eine mittels des Vliesstoffes realisierte anisotrope Kaschierung, welche komplementär zur Holzfaserrichtung mit dem Furnier verklebt ist. Die isotropierende Wirkung wird dadurch erzielt, dass der anisotrope Vliesstoff genau 90 Grad zu der natürlichen Anisotropie des auch als Holz bezeichneten Furniers angeordnet wird. Die Vliesstoffrichtung mit höherer Steifigkeit unterstützt das Furnier in Querrichtung. Durch die Anhebung des E-Moduls des Verbunds in Querrichtung gleicht sich die Zugfestigkeit an. Die höhere Bruchdehnung in Querrichtung bleibt erhalten. Sie wird lediglich verzögert. So wird die Anisotropie des Verbunds reduziert, allerdings nicht ganz aufgehoben. Die optimale Einstellung des E-Moduls in Querrichtung wurde anhand von Eschefurnier untersucht. Für den Verbund, insbesondere mit dieser Holzart, ergibt sich in der Berechnung eine Änderung des Anisotropieverhältnisses von circa 1 zu 30 auf circa 1 zu 7 von quer zu parallel.
Die strukturellen Eigenschaften des Vliesstoffes, welcher einfach auch als Vlies bezeichnet wird, können über Verdichtungstechnologien beziehungsweise Verdichtungsverfahren wie beispielsweise das Vernadeln genau eingestellt und orthogonal ausgerichtet werden, wie es beispielsweise bereits aus der DE 44 28 607 A1 bekannt ist. Das Vernadeln ist eine von vielen Technologien der Vliesfertigung, mittels welchen die strukturellen Eigenschaften von Vliesstoffen definiert eingestellt werden können.
Der Vliesstoff ist mittels eines Klebstoffes mit dem Furnier verklebt, wobei der Klebstoff die Kräfte zwischen dem Furnier und dem Vliesstoff schubsteif überträgt. Damit sich die isotropierende Wirkung des Vliesstoffes auf das Furnier überträgt, verbindet der Klebstoff den Vliesstoff fest mit dem Furnier. Dies kann durch gängige und erprobte Systeme realisiert werden. Es kann beispielsweise ein polyurethan-, melamin-, acrylat- oder phenolharzbasierter Klebstoff oder ein PVAC-Klebstoff verwendet werden.
Beispielweise kann wenigstens ein oder mehrere Klebstofffilme in Papierform zwischen dem Vliesstoff und dem Furnier angeordnet, insbesondere aufgelegt werden, oder in flüssiger Form auf den Vliesstoff aufgesprüht werden, woraufhin der das Furnier, den Vliesstoff und den dazwischen angeordneten Klebstoff umfassende Verbund unter Temperatur beziehungsweise unter Erwärmung verpresst wird. Die Erfindung ermöglicht es, dass bei einer Umformung des Verbunds Spannungen gleichmäßiger verteilt werden. Die Dehnung in Querrichtung wird verzögert, sodass das Material in Längsrichtung seine Dehnbarkeit besser ausschöpft. Die Kaschierung verringert die Anisotropie des Verbunds aus Furnier, Vliesstoff und Klebstoff, und es können besonders komplexe Umformgeometrien realisiert werden
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Furniersystems gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ein Diagramm zum Veranschaulichen von mechanischen Eigenschaften des Furniersystems;
3 eine Seitenansicht eines Holzzierteils als Anschauungsbeispiel;
4 eine schematische Vorderansicht eines Holzzierteils gemäß 3; und
5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Simulieren einer Verformung des Furniersystems.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen und geschnittenen Perspektivansicht den Aufbau eines Furniersystems 12 für die Herstellung eines Zierteils 10 für einen Kraftwagen, insbesondere für einen Personenkraftwagen. Das Furniersystem 12 wird einfach auch als Verbund bezeichnet und kann zu einem Zierteil 10 umgeformt werden, um zumindest einen Teil der Karosserie des Personenkraftwagens und/oder an der Karosserie zumindest mittelbar gehaltene Anbauteile zum Innenraum des Personenkraftwagens hin zu verkleiden. Der Verbund 12, welcher in 1 in einer schematischen Explosionsansicht gezeigt ist umfasst wenigstens ein dünnes, Furnier 14, welches aus natürlichem Holz wie beispielsweise Esche gebildet ist. Das Furnier 14 ist eine erste Schicht des Verbunds 12. Des Weiteren umfasst der Verbund 12 beziehungsweise das Holzzierteil 10 wenigstens einen Vliesstoff 16, welcher unter Bildung des Verbunds 12 mittels eines Klebstoffes 18 mit dem Furnier 14 verklebt ist. Dabei bildet der Vliesstoff 16, welcher auch als Vlies bezeichnet wird, eine zweite Schicht des Verbunds 12, während der Klebstoff 18 eine zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnete dritte Schicht des Verbunds 12 bildet. Das Furnier 14 beziehungsweise das natürliche Holz weist natürliche Fasern auf, dessen auch als Faserlängsrichtung bezeichnete Faserrichtung in 1 durch einen Pfeil 20 veranschaulicht ist.
Das Furniersystem 12 wird mittels des folgenden Verfahrens hergestellt: Bei einem ersten Schritt des Verfahrens werden mechanische Eigenschaften wie beispielsweise die Steifigkeit, insbesondere der E-Modul, die Querkontraktion und der Schubmodul des Furniers 14 bestimmt. Bei einem zweiten Schritt des Verfahrens wird eine Tiefungsprüfung nach Erichsen DIN EN ISO 20482 zur Bestimmung der Tiefungsfähigkeit durchgeführt. Bei einem dritten Schritt wird das Materialverhalten unter Berücksichtigung der ermittelten Kennwerte mittels Finiter Elemente Methode simuliert. Bei einem vierten Schritt werden optimale Materialkennwerte berechnet, mit welchen ein bestmögliches Umformergebnis erreicht werden kann. Bei einem fünften Schritt wird der auch als Vlies oder Kaschiervlies bezeichnete Vliesstoff 16 dahingehend modifiziert, dass die berechneten mechanischen Eigenschaften durch Verfestigungsverfahren wie beispielsweise Wasserstrahlverwirbeln, Vermaschen oder insbesondere durch Vernadeln, des Vliesstoffes 16 erzielt werden, um die Steifigkeit in der entsprechenden Richtung zu erhöhen.
2 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 22 die Dehnung in Prozent aufgetragen ist, wobei auf der Ordinate 24 die Spannung in Megapascal aufgetragen ist. Ein Verlauf 26 veranschaulicht am Beispiel Eschenholzfurnier die Spannung über der Dehnung parallel zur Faserlängsrichtung eines herkömmlichen Furniersystems beispielsweise bei dessen Umformung, während ein Verlauf 28 die Spannung über der Dehnung quer zur Faserlängsrichtung des herkömmlichen Furnierbauteils veranschaulicht. Anhand der Verläufe 26 und 28 ist somit erkennbar, dass herkömmliche Furniersysteme eine ausgeprägte Anisotropie aufweisen.
Demgegenüber ist die bei herkömmlichen Furniersystemen sehr ausgeprägte Anisotropie bei dem erfindungsmäßigen Furniersystem 12 gemäß 1 deutlich vermindert, was in 2 anhand eines Verlaufs 30 erkennbar ist. Der Verlauf 30 veranschaulicht die Spannung über der Dehnung quer zur Faserlängsrichtung des Furniers 14 bei einer Umformung des Furniersystems 12. Anhand der Verläufe 26 und 30 ist erkennbar, dass die Zugfestigkeiten angeglichen sind, sodass in beiden Richtungen, parallel und senkrecht zur Holzfaser, bei dreidimensionaler Verformung die Dehnfähigkeit des Furniersystems 12 gemäß 1 voll ausgeschöpft wird. Somit kann das Furniersystem 12 besonders vorteilhaft als 3D-Formteil wie beispielsweise ein Holzzierteil 10 ausgebildet werden.
Um diese ausgeprägte Umformbarkeit des Furniersystems 12 gemäß 1 zu realisieren, ist der Verbund 12 mittels des Vliesstoffes 16 isotropiert, indem der Vliesstoff 16 senkrecht zu der Faserlängsrichtung und somit zur natürlichen Anisotropie des Furniers 14 angeordnet ist. Außerdem ist der Vliesstoff 16 mittels wenigstens eines Verfestigungsverfahrens wie beispielsweise mittels Vernadelns mechanisch verfestigt.
3 und 4 zeigen beispielhaft ein Holzzierteil 10. Somit wird das Furniersystem 12 beispielsweise genutzt, um eine Tür, insbesondere eine Seitentür, eines Personenkraftwagens zu dessen Innenraum hin zu verkleiden beziehungsweise zu verzieren.
Schließlich ist anhand von 5 ein Verfahren zur Simulation einer Umbeziehungsweise Verformung des Furniersystems 12 veranschaulicht. Bei diesem Verfahren wird das Furniersystem 12 mittels eines Niederhalters 32 fixiert beziehungsweise festgehalten und währenddessen mittels eines kugelförmigen Stempels 34 und somit mit einer Kugel verformt, insbesondere dadurch, dass der Stempel 34 in Stützanlage mit dem Furniersystem 12 bewegt und gegen das Furniersystem 12 gedrückt wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass ein Verformungsversuch simuliert wird, bei welchem eine Kugel in Form des Stempels 34 das kaschierte Furnierverformt. Dieser Versuch ist angelehnt an den zuvor genannten Erichsen-Test (DIN EN ISO 20482) für die Formbarkeit von Blechen. Dieser eignet sich sehr gut für den Nachweis des besseren Anisotropie-Verhältnis und wurde dazu simulativ aufgebaut um nachzuweisen, dass durch das beschriebene Verfahren eine Verbesserung der Umformbarkeit realisiert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19803262 A1 [0002]
DE 4428607 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 20482 [0005, 0018, 0023]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Furniersystems (12), mit den Schritten: - Bestimmen von mechanischen Eigenschaften wenigstens eines Furniers (14) des Furniersystems (12); - Durchführen eines Tiefungsversuchs nach Erichsen DIN EN ISO 20482 zur Bestimmung der Tiefungsfähigkeit; - Simulation des Materialverhaltens unter Berücksichtigung der ermittelten Kennwerte mittels Finiter Elemente Methode; - Berechnung optimaler Materialkennwerte, mit welchen ein bestmögliches Umformergebnis erreicht werden kann; und - Modifikation wenigstens eines Kaschiervlieses (16) des Furniersystems (12) dahingehend, dass die berechneten mechanischen Eigenschaften durch Verfestigung des Kaschiervlieses (16) erzielt werden, um die Steifigkeit in der entsprechenden Richtung zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Eigenschaften, die bestimmt werden, die Steifigkeit, insbesondere den E-Modul, die Querkontraktion und den Schubmodul des Furniers (14) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaschiervlies (16) durch mechanische Vliesverfestigung verstärkt wird.
Furniersystem (12), mit wenigstens einem Furnier (14), und mit wenigstens einem Kaschiervlies (16), mit welchem das Furnier (14) verklebt und dadurch kaschiert ist, wobei das Furniersystem (12) mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Furniersystem (12) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass - der Verbund (12) mittels des Vliesstoffes (16) isotropiert ist, indem der Vliesstoff (16) die natürliche Anisotropie des Furniers (14) ausgleicht; und - der Vliesstoff (16) mittels wenigstens eines Verfestigungsverfahrens mechanisch verfestigt ist.
Furniersystem (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff (16) durch mechanische Vliesverfestigung verstärkt ist.
Furniersystem (12) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff (16) mit dem Furnier (14) mittels eines Klebstoffes (18) verklebt ist, welcher als ein polyurethanbasierter oder phenolharzbasierter Klebstoff oder als PVAC-Klebstoff ausgebildet ist.
Furniersystem (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Holzzierteil (10) dreidimensional umgeformt ist.